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GNSS介绍

GNSS 是Global Navigation Satellite System 的缩写。中文译名为全球导航卫星系统。目前,GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo 系统、中国的Compass(北斗),全部建成后其可用的卫星数目达到100 颗以上,截止2011 年10 月,欧盟的Galileo 系统、中国的Compass(北斗)还未进入大规模的民用阶段。

早在20 世纪90 年代中期开始,欧盟一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划,称之为Global Navigation Satellite System。该计划分两步实施:第一步是建立一个综合利用美的GPS 系统和俄罗斯的GLONASS 系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1,即后来建成的EGNOS);第二步是建立一个完全独立于美国的GPS 系统和俄罗斯的GLONASS 系统之外的第二代全球导航卫星系统,即正在建设中的Galileo 卫星导航定位系统。由此可见,GNSS 从一问世起,就不是一个单一星座系统,而是一个包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo 等在内的综合星座系统。众所周知,卫星是在天空中环绕地球而运行的,其全球性是不言而喻的;而全球导航是相对于陆基区域性导航而言,以此体现卫星导航的优越性。

4 大全球导航卫星系统:美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟Galileo 的和中国的北斗,其中GPS系统应用最为广泛,下面主要针对GPS 系统来展开叙述。GPS 系统由三大部分组成:空间部分、控制部分和用户部分。空间部分是GPS 人造卫星的总称,人造卫星平均高度约20200Km,运行轨道是一个椭圆,地球位于该椭圆的一个焦点上,运行周期约为12 小时,在6 个倾角约550 的轨道面上不平均地分布着近30颗导航卫星,部分为备用卫星。在GPS 系统中,卫星是动态的已知点,用户端所有的导航定位信息都是依据这个动态已知点发送的“星历”计算得到的。GPS 星历,实际上是一系列描述GPS 卫星运动及轨道的实时状态参数。民用GPS 模块所接收到的广播星历是由GPS 卫星以扩频通信方式通过导航电文直接向用户

播发的用于实时数据处理的预报星历,在不同的载波上以不同的速率广播民用的伪随即码C/A 码星历和军用的P 码星历。我们常说的GPS 定为模块/接收机称为用户部分,接收、解调卫星的广播C/A 码信号,中心频率为1575.42MHz,通过运算与每个卫星的伪距离,采用距离交会法求出接收机的经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数,特点是点位速度快、但误差大。初次定位的模块至少需要4 颗卫星参与计算,称为3D 定位。GPS 模块通过串行通信口不断输出NMEA 格式的定位信息及辅助信息,供接收者选择应用。

仍然是以GPS 为例,GPS 信号频率为:

L1:1575.42MHz,上有C/A 码和P 码

L2:1227.6MHz,上仅有P 码

C/A 码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机噪声码,它由m 序列优选对组合码组成的GOLD 码。GPS采用GOLD 码作为C/A 码的主要原因其优点在于广泛用于多址通信,但C/A 码精度较低,码结构是公开的,可供GPS 设备使用。P 码是GPS 的精测码,码速率为10.23MHz,由两个伪随机噪声码相乘构成的,由两级12 位移位寄存器构成。P 码的码长为6.19*1012,所以在不知道P 码结构的情况下,是无法捕获P 码的,美国国防部又实行了AS 政策,在P 码上又增加了极度保密的W 码,绝对禁止非特许用户使用。GPS 卫星信号L 波段,其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS 卫星发送的导航电文D 码,是一种不归零的二进制码组成的编码脉冲串,其速率是50bps。为了克服通讯距离上的问题,同时要将信号发送给用户,需要作二级调制。首先,将50Hz 的D码调制成一种伪随机噪声码,这种码被称为P 码,码速率高达10.23MHz。

D 码调制成P 码形成一个组合码,使得D 码的频带带宽从50Hz 扩展到10.23MHz。即GPS 卫星原发送的50bps 的D 码,转为发送10.23Mbps 的组合码,第二级再用组合码去调制载波。伪随机码性能的好坏,直接关系到整个系统性能的好坏。对伪随机码的要求如下:

1、有尖锐的自相关特性;

2、有处处为零的互相关特性;

3、不同的码元数平衡相等;

4、有足够多的编码;

5、有尽可能大的

复杂度。理论上说,只有用纯随机序列作为扩频码才是实际最理想的,但难度很大,只能产生一种周期的序列来近似随机序列的噪声,称为伪随机码或伪噪声码序列。还可以用具有白噪声统计特性的信号来编码,白噪声是一种平稳随机过程,具有以下特性:

1、瞬时值服从高斯分布(或正态分布);

2、功率谱在很宽的频带内都是均匀的;

3、具有尖锐的自相关函数。但是对于白噪声信号的产生,加工和复制存在很多技术上的困难,至今还较难于实现,因而只能用类似于白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近,并作为扩频系统的扩频码。其中最重要最基础的伪随机序列是m 序列。

GPS 信号涉及直接序列扩频通信系统(DSSS):是最典型、应用最广泛的一种扩展频谱通信系统,它

是用伪随机编码序列把基带信号的频谱进行扩展,形成相当带宽的低功率谱密度信号发射,而在接收端,

使用相同的码序列扩展的信号频谱进行解扩,还原出原始的信息。


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